含硫污水處理負壓氣提技術優化

朱 國 青 鵬 何 海 何 忠

(中國石化西南油氣分公司采氣二廠)

0 引 言

元壩氣田為高含硫氣田，其采出水水質屬于CaCl2型，氯根含量平均值20 000 mg/L，具有高硫化物，高礦化度，成分組成復雜等特點[1-3]。目前除硫技術主要有氣提法、氧化法、沉淀法、生物法、生物脫硫藥劑法等[4]。元壩氣田對采出水經預處理后進行回注或低溫蒸餾資源利用，以符合國家嚴格的環保政策和節能減排政策。目前元壩氣田已有預處理站兩座，采出水處理工程處理規模600 m3/d，其針對高含硫氣田采出水使用的脫硫工藝為物理化學法，工藝流程為“氣提+化學除硫+混凝沉降+過濾”的密閉處理過程，圖1為元壩氣田脫硫工藝流程。

但是，隨著裝置的運行，該工藝暴露出許多不足。主要存在以下幾個問題：

1)元壩29處理站采用的鋅鹽除硫劑、大坪站使用的雙氧水除硫，1 t水處理成本分別為33.2，53.06元，分別占整個藥劑成本的70%，73%，除硫成本高。

2)氣提后的硫化物含量很高，29處理站經過氣提后的硫化物含量約400～600 mg/L，造成后續除硫成本高。

3)氯化鋅除硫污泥產量大，年產70%含水率污泥1 600 t，污泥處理費用高。

4)雙氧水除硫工藝用藥劑帶刺鼻性氣味，儲運和人身安全風險高。

為了降低污水處理成本，減少危廢產生量，探索新的污水處理工藝技術，引進了負壓氣提技術，同時對負壓氣提技術進行了一系列參數條件的優化。

圖1 負壓氣提技術

1 實驗部分

1.1 實驗儀器與試劑

負壓氣提裝置(元壩氣田自制設備)；pH儀：上海雷磁臺式酸度計PHS-3G；實驗所需藥品鹽酸為分析純，現場實驗鹽酸為工業級：成都市科隆化學品有限公司。

1.2 技術優化

美國Sohio石油公司西德克薩斯州的Spraberry油田采用燃氣汽提方法處理含硫油田水，結果表明，采用這種方法能使含硫量從400～500 mg/L降低到0.5～1.0 mg/L[5]。在我國，負壓氣提技術也廣泛應用于各大高含硫氣田。趙德銀[6]等采用了負壓氣提技術除硫，應用于塔河稠油高含硫油田，并對比了正壓氣提法和負壓汽提法兩種工藝，結果表明，負壓氣提工藝所需氣提氣量少，硫化氫脫硫率更高，與正壓氣提相比，脫硫率提高了15.6%。

因此針對現有技術不足，提出了負壓氣提技術。負壓氣提技術主要原理是利用文丘里效應，在污水氣提塔內形成負壓，降低氣提的飽和溶解度，通過負壓抽吸作用，將產生的硫化氫氣提及時抽走，打破氣相和液相中硫化氫的分壓平衡，降低氣相中硫化氫分壓，通過對污水pH值的調整，使污水中硫化物向硫化氫分子態轉化，提高污水中分離硫化氫的效率。表1為不同pH值下的硫化物存在形態[7]。

表1 不同pH值下的硫化物存在形態

負壓氣提可以以空氣或燃料氣為氣提氣，當以空氣為氣提氣時，鼓氣風機風量0～100 m3/h，風壓40 kPa；以燃料氣循環氣提時，循環風機風量0～80 m3/h，風壓≥25 kPa；利用循環風機將含硫尾氣氧化塔中的燃料氣回用于負壓氣提塔。圖1(a)是負壓氣提技術流程；圖1(b)為負壓脫硫裝置。

1.3 工藝參數優化

處理對象為元壩氣田采出水，硫化物含量平均值為1 800 mg/L。實驗主要探討負壓氣提技術的最優工藝參數，包括不同進水量、氣提氣種類、是否加鹽酸調節pH值、不同氣液比等，以得到脫硫效率最佳、效果最穩定的實驗條件。

2 結果與討論

2.1 進水pH值對脫硫效率的影響

該階段主要考察在不同進水pH值條件下，pH值在哪個范圍內對脫硫效果顯著。考慮成本，采用空氣作為氣提氣源。進水pH值對脫硫效率的影響見圖2。由圖2可知，當pH值在4.5～5.5時，脫硫效率可達90%以上。

圖2 進水pH值對脫硫效率的影響

2.2 氣提氣種類對脫硫效率的影響

主要對比以燃料氣和空氣為氣提氣時，對脫硫效率的影響。保持進水pH≈5，以排除pH值對脫硫效果的影響。不同氣提氣對脫硫效率的影響見圖3。

圖3 不同氣提氣對脫硫效率的影響

由圖3可知，在不同進水量的情況下，當以燃料氣和空氣作為氣提硫化物的氣源時，脫硫效率總體差異變化不大，這與氣源主要起提供負壓條件的作用有關，因此燃料氣和空氣均可以作為負壓氣提氣源。

2.3 加酸與否對氣提效率分析

由于實際情況的原水pH值在6～8之間變化，考慮分析不加入鹽酸是否可以達到氣提除硫的目的。加酸與否對出水硫化物含量的影響見圖4，加酸與否對脫硫效率的影響見圖5。

如圖4、圖5所示，分別是不同來源的進水且pH值在6～8不等的情況下，不加入鹽酸和加入等量的鹽酸的對比圖。當水量從1 m3/h增大到3 m3/h，可以看出不加酸調節pH值時，出水硫化物普遍都較高，脫硫效率都較低，平均只有70%。對比可知，加入鹽酸調節pH值可有效提高脫硫效率。

進水與出水硫化物含量的對比見圖6，不同進水水量對脫硫效率的影響見圖7。

圖4 加酸與否對出水硫化物含量的影響

圖5 加酸與否對脫硫效率的影響

圖6 進水與出水硫化物含量的對比

圖7 不同進水水量對脫硫效率的影響

圖6、圖7分別是在不同原水中加入鹽酸，將pH值都調節至5左右的進水與出水硫化物含量對比圖和脫硫效率圖，由于原水來源不同，故原水中硫化物濃度與pH值都不同。由圖7可知，當水量從1 m3/h增大到2.5 m3/h，出水硫化物含量平均42 mg/L，最低12.5 mg/L，脫硫效率維持在94%以上，平均達到96%。

2.4 不同氣液比脫硫效率分析

不同氣液比對出水硫化物含量的影響見圖8。圖8是對比分析氣液比為5∶1，6∶1，8∶1，13∶1時的脫硫效果。將不同來源且pH值不同的進水加入鹽酸調節pH≈5的條件下，由圖8可知，當氣液比6∶1時脫硫效率最好，高達97%。氣液比過大或者過小，脫硫效率相對略低，且脫硫效率穩定性略差。其中氣液比8∶1是未加入酸的實驗結果，其出水硫化物含量85 mg/L。不同氣液比的平均脫硫效率見表2。

圖8 不同氣液比對出水硫化物含量的影響

表2 不同氣液比的平均脫硫效率%

綜上所述，通過對比優化一系列工藝參數，得到脫硫效率最佳，效果最穩定的條件為：氣提氣源采用燃料氣與空氣氣提對脫硫效率影響不大，脫硫最佳的進水pH值為5左右；脫硫工藝最佳氣液比為6∶1～8∶1。負壓氣提方式可以脫出氣田水中的硫化物，技術可行，可以將原水中的硫化物降低至50 mg/L以下。

實驗表明，當水量由1～3 m3/h變化，加酸后脫硫效率維持在94%以上，進水最高硫化物含量為1 358 mg/L，出水最低硫化物含量為12.5 mg/L。

3 現場應用效果分析

選擇元壩29站進行現場實驗，設備安裝在現有的氣提塔B旁邊，燃料氣接入口采用氣提塔撬內低壓燃料氣，污水從氣提塔前的預留口處接入，經過實驗裝置后的水、尾氣接入污水處理站的4#池。實驗裝置包含：預脫硫裝置、負壓脫硫裝置、含硫尾氣氧化塔、脫硫再生塔等，在預脫硫裝置前設有加酸加堿罐來調節pH值，操作過程中設有pH檢測儀來監控pH值的變化。按照上述最優工藝條件進行脫硫，經過20多天的現場實驗，共進行了35次實驗，分別以燃料氣和空氣為汽提氣源，總體脫硫效率較好，脫硫效果比較穩定，均在95%左右。

測得出水硫化物含量降低至40 mg/L，現場用便攜式硫化氫檢測儀測試硫化氫。進水與脫硫出水后的水樣對比可知，原水中懸浮物濃度較高呈黃色，脫硫后污水懸浮物濃度大幅降低，水質呈乳白色。經測定懸浮物由418 mg/L降至58 mg/L，為后續的處理降低了成本。脫硫液將硫化氫氧化為單質硫磺，分散在脫硫液中，可知，硫磺顆粒較大，分散性好，易分離。硫磺顆粒經層疊過濾機分離后的硫磺，經計算，過濾后分離出的硫磺(硫膏)中含水率65%左右。

4 結束語

通過對氣提技術與目前污水處理技術的不足進行分析，本文探索了新的污水處理工藝技術，引進負壓氣提技術，降低污水處理成本的同時，減少危廢產生量，彌補了原污水處理工藝的不足。實驗裝置包含：預脫硫裝置、負壓脫硫裝置、含硫尾氣氧化塔、脫硫再生塔等。

對負壓氣提技術進行優化，參數調整后，得到設備運行的最佳條件，脫硫效果明顯提升，具體如下：

1)氣提氣可采用燃料氣或空氣，兩者對脫硫效率影響不大；當污水在pH值為5左右時，脫硫最佳；氣液比為6∶1～8∶1脫硫最佳，效果最穩定。影響負壓氣提脫硫的關鍵因素是控制待處理污水的pH值與氣液比。

2)經實驗，當工作壓力為-0.02 MPa，pH≈5時，對含硫污水的進行深度脫硫，硫化物含量從1 200 mg/L左右，降低到50 mg/L以下，處理量0.3～3 m3/h。